Робототехника - Robotics

Робототехника - это междисциплинарная область, объединяющая информатику и инженерию . Робототехника включает в себя проектирование, строительство, эксплуатацию и использование роботов . Цель робототехники - проектировать машины, которые могут помогать людям и помогать им. Robotics интегрирующей сферы машиностроения , электротехники , информационной техники , мехатроники , электроники , биоинженерии , компьютерной техники , техники управления , программной инженерии , математики и т.д.

Робототехника разрабатывает машины, которые могут заменять людей и воспроизводить человеческие действия. Роботы могут использоваться во многих ситуациях для многих целей, но сегодня многие из них используются в опасных средах (включая осмотр радиоактивных материалов, обнаружение и обезвреживание бомб ), производственных процессах или там, где люди не могут выжить (например, в космосе, под водой, в условиях высокой температуры. , а также очистка и локализация опасных материалов и радиации). Роботы могут принимать любую форму, но некоторые из них внешне напоминают людей. Утверждается, что это помогает в принятии роботов в определенных репликативных формах поведения, которые обычно выполняются людьми. Такие роботы пытаются имитировать ходьбу, подъем, речь, познание или любую другую человеческую деятельность. Многие из сегодняшних роботов вдохновлены природой, внося свой вклад в сферу робототехники, вдохновленной биологией .

Некоторым роботам для работы требуется ввод пользователя, в то время как другие роботы работают автономно. Идея создания роботов, которые могут работать автономно, восходит к классическим временам , но исследования функциональности и потенциального использования роботов существенно не развивались до 20 века. На протяжении всей истории различные ученые, изобретатели, инженеры и технические специалисты часто предполагали, что однажды роботы смогут имитировать человеческое поведение и управлять задачами так, как это делает человек. Сегодня робототехника - это быстро развивающаяся область, поскольку технологический прогресс продолжается; исследование, проектирование и создание новых роботов служат различным практическим целям, будь то внутри страны , в коммерческих или военных целях . Многие роботы созданы для выполнения опасных для людей работ, таких как обезвреживание бомб, поиск выживших в нестабильных руинах и исследование шахт и затонувших кораблей. Робототехника также используется в STEM (наука, технология , инженерия и математика ) в качестве учебного пособия.

Этимология

Слово робототехника происходит от слова робота , который был представлен публике на чешский писатель Карел Чапек в своей пьесе RUR (Россум Универсальный роботов) , который был опубликован в 1920 году слово робот происходит от слова славянского Робота , что означает работу /работа. Действие игры начинается на фабрике, которая создает искусственных людей, называемых роботами , существ, которых можно принять за людей, что очень похоже на современные представления об андроидах . Сам Карел Чапек не придумал это слово. Он написал короткое письмо со ссылкой на этимологию из Оксфордского словаря английского языка, в котором назвал своего брата Йозефа Чапека его фактическим создателем.

Согласно Оксфордскому словарю английского языка , слово « робототехника» было впервые использовано в печати Исааком Азимовым в его научно-фантастическом рассказе «Лжец!». , опубликованный в мае 1941 года в журнале «Astounding Science Fiction» . Азимов не знал, что он вводит термин; Поскольку наука и технология электрических устройств - это электроника , он предположил, что робототехника уже относится к науке и технологии роботов. В некоторых других работах Азимова он заявляет, что первое использование слова робототехника было в его рассказе « Обход»Поразительная научная фантастика» , март 1942 г.), где он представил свою концепцию «Трех законов робототехники» . Однако оригинальное издание «Лжец!» на десять месяцев раньше, чем "Runaround", поэтому первое обычно упоминается как происхождение слова.

История

В 1948 году Норберт Винер сформулировал принципы кибернетики , основы практической робототехники.

Полностью автономные роботы появились только во второй половине 20 века. Первый программируемый робот с цифровым управлением Unimate был установлен в 1961 году для подъема горячих металлических изделий из машины для литья под давлением и их штабелирования. Сегодня коммерческие и промышленные роботы широко распространены и используются для более дешевой, точной и надежной работы, чем люди. Они также заняты на некоторых работах, которые слишком грязны, опасны или скучны, чтобы подходить для людей. Роботы широко используются в производстве , сборка, упаковка и упаковка, горнодобывающей промышленности, транспорта, земли и освоение космоса , хирургию, оружие, лабораторные исследования , безопасность и массового производства в потребительских и промышленных товаров .

Дата Значение Имя робота Изобретатель
Третий век до нашей эры и ранее Одно из самых ранних описаний автоматов появляется в тексте Ли Цзы , во время гораздо более ранней встречи между королем Чжоу Му (1023–957 до н.э.) и инженером-механиком, известным как Ян Ши, «ремесленником». Последний якобы подарил королю фигуру его механической работы в натуральную величину, напоминающую человеческую. Ян Ши (китайский:偃师)
Первый век нашей эры и ранее Описания более 100 машин и автоматов, в том числе пожарной машины, духовой орган, в монетные машины и паровой двигатель с питанием, в PNEUMATICA и автоматов по Герона Александрийского Ктесибий , Филон Византийский , Герон Александрийский и другие.
c. 420 г. до н.э. Деревянная птица с паровым двигателем, способная летать. Летающий голубь Архит Тарентский
1206 Созданы первые гуманоидные автоматы, группа программируемых автоматов Лента для роботов, автомат для мытья рук, автоматические движущиеся павлины Аль-Джазари
1495 Конструкции гуманоидного робота Механический рыцарь Леонардо да Винчи
1560-е годы (не указано) Механический монах, под мантией которого были встроены механические ножки, имитирующие ходьбу. Глаза, губы и голова робота движутся как настоящие жесты. Механический монах Леонардо да Винчи
1738 Механическая утка, которая могла есть, махать крыльями и выделять Переваренная утка Жак де Вокансон
1898 г. Никола Тесла демонстрирует первое радиоуправляемое судно. Телеавтомат Никола Тесла
1921 г. Первые вымышленные автоматы под названием «роботы» появляются в спектакле « RUR». Универсальные роботы Россум Карел Чапек
1930-е годы Робот-гуманоид, выставленный на всемирных выставках 1939 и 1940 годов Электро Westinghouse Electric Corporation
1946 г. Первый универсальный цифровой компьютер Вихрь Несколько человек
1948 г. Простые роботы, демонстрирующие биологическое поведение Элси и Элмер Уильям Грей Уолтер
1956 г. Первый коммерческий робот от компании Unimation, основанной Джорджем Деволом и Джозефом Энгельбергером , на основе патентов Девола. Unimate Джордж Девол
1961 г. Первый установленный промышленный робот. Unimate Джордж Девол
1967 по 1972 год Первый полномасштабный интеллектуальный робот-гуманоид и первый андроид . Его система управления конечностями позволяла ему ходить нижними конечностями, а также захватывать и перемещать предметы руками с помощью тактильных датчиков. Его система зрения позволяла измерять расстояния и направления до объектов с помощью внешних рецепторов, искусственных глаз и ушей. А его система разговора позволяла ему общаться с человеком на японском языке с искусственным ртом. WABOT-1 Университет Васэда
1973 Первый промышленный робот с шестью осями с электромеханическим приводом Famulus Группа роботов KUKA
1974 г. Первый в мире электрический промышленный робот, управляемый микрокомпьютером , IRB 6 от ASEA, был доставлен небольшой машиностроительной компании на юге Швеции. Конструкция этого робота была запатентована еще в 1972 году. IRB 6 ABB Robot Group
1975 г. Программируемый универсальный манипулятор, продукт Unimation PUMA Виктор Шейнман
1978 г. Первый объектный язык программирования роботов, позволяющий роботам обрабатывать изменения положения, формы и шума датчиков. Фредди I и II, язык программирования роботов RAPT Патрисия Эмблер и Робин Попплстоун
1983 г. Первый многозадачный язык параллельного программирования, используемый для управления роботом. Это был язык, управляемый событиями (EDL) на технологическом компьютере IBM / Series / 1, с реализацией механизмов межпроцессного взаимодействия (WAIT / POST) и взаимного исключения (ENQ / DEQ) для управления роботами. АДРИИЛ I Стево Божиновски и Михаил Сестаков

Роботизированные аспекты

Механическая конструкция
Электрический аспект
Уровень программирования

Есть много типов роботов; они используются во многих различных средах и для самых разных целей. Несмотря на то, что они очень разнообразны по применению и форме, все они имеют три основных сходства, когда дело доходит до их конструкции:

  1. Все роботы имеют какую-то механическую конструкцию, раму, форму или форму, предназначенную для выполнения определенной задачи. Например, робот, предназначенный для передвижения по тяжелой грязи или грязи, может использовать гусеницы . Механический аспект - это в основном решение создателя для выполнения поставленной задачи и работы с физикой окружающей среды вокруг нее. Форма следует за функцией.
  2. У роботов есть электрические компоненты, которые приводят в действие механизмы и управляют ими. Например, роботу с гусеницами потребуется какая-то мощность, чтобы двигать гусеницы трекера. Эта энергия приходит в виде электричества, которое должно проходить по проводу и исходить от батареи, основной электрической цепи . Даже бензиновым машинам, которые получают энергию в основном от бензина, по-прежнему требуется электрический ток для запуска процесса сгорания, поэтому большинство бензиновых машин, таких как автомобили, имеют батареи. Электрический аспект роботов используется для движения (через двигатели), восприятия (где электрические сигналы используются для измерения таких вещей, как тепло, звук, положение и энергетический статус) и работы (роботам требуется некоторый уровень электрической энергии, подаваемой на их двигатели и датчики для активации и выполнения основных операций)
  3. Все роботы содержат некоторый уровень компьютерного программного кода. Программа - это то, как робот решает, когда и как что-то делать. В примере с гусеницей робот, которому необходимо двигаться по грязной дороге, может иметь правильную механическую конструкцию и получать правильное количество энергии от своей батареи, но никуда не пойдет, если программа не скажет ему двигаться. Программы - это основная сущность робота, он может иметь отличную механическую и электрическую конструкцию, но если его программа плохо построена, его производительность будет очень низкой (или она может не работать вообще). Есть три разных типа роботизированных программ: дистанционное управление, искусственный интеллект и гибридные. У робота с программированием дистанционного управления есть уже существующий набор команд, который он будет выполнять только в том случае, если и когда он получит сигнал от источника управления, обычно человека с дистанционным управлением. Возможно, более уместно рассматривать устройства, управляемые в основном человеческими командами, как относящиеся к сфере автоматизации, а не робототехники. Роботы, использующие искусственный интеллект, взаимодействуют со своей средой самостоятельно, без источника управления, и могут определять реакции на объекты и проблемы, с которыми они сталкиваются, используя свои ранее существовавшие программы. Гибрид - это форма программирования, которая включает в себя функции AI и RC.

Приложения

По мере того, как все больше и больше роботов разрабатывается для конкретных задач, этот метод классификации становится все более актуальным. Например, многие роботы предназначены для сборочных работ, которые невозможно легко адаптировать для других приложений. Их называют «роботами-сборщиками». Для шовной сварки некоторые поставщики поставляют полные сварочные системы с роботом, то есть сварочное оборудование, а также другие средства обработки материалов, такие как поворотные столы и т. Д., Как единое целое. Такая интегрированная роботизированная система называется «сварочным роботом», хотя ее дискретный манипулятор может быть адаптирован для решения множества задач. Некоторые роботы специально разработаны для работы с тяжелыми грузами и помечены как «сверхмощные роботы».

Текущие и потенциальные приложения включают:

Компоненты

Источник питания

InSight спускаемый аппарат с солнечными батареями развернуты в чистых помещениях

В настоящее время в качестве источника энергии используются в основном (свинцово-кислотные) аккумуляторы . В качестве источника энергии для роботов можно использовать различные типы батарей. Они варьируются от свинцово-кислотных батарей, которые безопасны и имеют относительно длительный срок хранения, но довольно тяжелые по сравнению с серебряно-кадмиевыми батареями, которые намного меньше по объему и в настоящее время намного дороже. При разработке робота с батарейным питанием необходимо учитывать такие факторы, как безопасность, срок службы и вес . Также можно использовать генераторы, часто это двигатели внутреннего сгорания . Однако такие конструкции часто являются сложными с механической точки зрения и требуют топлива, требуют отвода тепла и относительно тяжелые. Трос, соединяющий робота с источником питания, полностью отключил бы источник питания от робота. Это дает преимущество экономии веса и пространства за счет перемещения всех компонентов генерации и хранения энергии в другое место. Однако такая конструкция имеет недостаток: к роботу постоянно подключается кабель, с которым может быть сложно справиться. Возможными источниками энергии могут быть:

Срабатывание

Приводы - это « мускулы » робота, части, которые преобразуют накопленную энергию в движение. Безусловно, наиболее популярными исполнительными механизмами являются электродвигатели, вращающие колесо или шестерню, и линейные исполнительные механизмы, управляющие промышленными роботами на заводах. В последнее время появились некоторые достижения в области альтернативных типов приводов, работающих от электричества, химикатов или сжатого воздуха.

Электродвигатели

Подавляющее большинство роботов используют электродвигатели , часто щеточные и бесщеточные электродвигатели постоянного тока в портативных роботах или электродвигатели переменного тока в промышленных роботах и станках с ЧПУ . Эти двигатели часто предпочтительнее в системах с более легкими нагрузками, и где преобладающей формой движения является вращательное движение.

Линейные приводы

Различные типы линейных приводов перемещаются внутрь и наружу, а не вращаются, и часто имеют более быстрое изменение направления, особенно когда требуются очень большие усилия, например, в промышленной робототехнике. Обычно они приводятся в действие сжатым и окисленным воздухом ( пневматический привод ) или маслом ( гидравлический привод ). Линейные приводы также могут работать от электричества, которое обычно состоит из двигателя и ходового винта. Другой распространенный тип - это механический линейный привод, который вращается вручную, например, зубчатая рейка в автомобиле.

Эластичные приводы серии

Последовательное упругое срабатывание (SEA) основано на идее создания преднамеренной упругости между приводом двигателя и нагрузкой для надежного управления силой. Благодаря меньшей отраженной инерции, последовательное упругое срабатывание повышает безопасность, когда робот взаимодействует с окружающей средой (например, с людьми или заготовкой) или во время столкновений. Кроме того, он также обеспечивает энергоэффективность и амортизацию (механическую фильтрацию), снижая при этом чрезмерный износ трансмиссии и других механических компонентов. Этот подход успешно применялся в различных роботах, особенно в современных промышленных роботах и ​​шагающих роботах- гуманоидах .

Дизайн контроллера последовательного упругого привода чаще всего выполняется в рамках пассивности, поскольку он обеспечивает безопасность взаимодействия с неструктурированной средой. Несмотря на свою замечательную устойчивость к устойчивости, эта структура страдает от строгих ограничений, наложенных на контроллер, которые могут снизить производительность. Читателя отсылают к следующему обзору, в котором резюмируются общие архитектуры контроллеров для SEA, а также соответствующие достаточные условия пассивности. В одном из недавних исследований были получены необходимые и достаточные условия пассивности для одной из наиболее распространенных архитектур управления импедансом , а именно SEA на основе скорости. Эта работа имеет особое значение, поскольку она впервые устанавливает неконсервативные границы пассивности в схеме SEA, что позволяет более широкий выбор коэффициентов усиления управления.

Воздушные мышцы

Пневматические искусственные мышцы, также известные как воздушные мышцы, представляют собой специальные трубки, которые расширяются (обычно до 40%), когда в них нагнетается воздух. Они используются в некоторых приложениях для роботов.

Мышечная проволока

Мышечная проволока, также известная как сплав с памятью формы, проволока Nitinol® или Flexinol®, представляет собой материал, который сжимается (менее 5%) при подаче электричества. Они использовались для некоторых небольших приложений для роботов.

Электроактивные полимеры

EAP или EPAM представляют собой пластиковый материал, который может существенно сокращаться (до 380% напряжения активации) от электричества и используется в лицевых мышцах и руках гуманоидных роботов, а также позволяет новым роботам плавать, летать, плавать или ходить.

Пьезо моторы

Недавними альтернативами двигателям постоянного тока являются пьезодвигатели или ультразвуковые двигатели . Они работают по принципиально иному принципу, согласно которому крошечные пьезокерамические элементы, вибрируя много тысяч раз в секунду, вызывают линейное или вращательное движение. Существуют разные механизмы работы; один тип использует вибрацию пьезоэлементов для перемещения двигателя по окружности или прямой линии. Другой тип использует пьезоэлементы, чтобы заставить гайку вибрировать или закручивать винт. Преимущества этих двигателей - нанометровое разрешение, скорость и доступная сила для их размера. Эти двигатели уже доступны в продаже и используются на некоторых роботах.

Упругие нанотрубки

Эластичные нанотрубки - многообещающая технология создания искусственных мышц, находящаяся на ранней стадии экспериментальной разработки. Отсутствие дефектов в углеродных нанотрубках позволяет этим филаментам упруго деформироваться на несколько процентов с уровнями накопления энергии, возможно, 10  Дж / см 3 для металлических нанотрубок. Человеческий бицепс можно заменить проволокой из этого материала диаметром 8 мм. Такая компактная «мускулатура» может позволить роботам будущего опережать и опережать людей.

Зондирование

Датчики позволяют роботам получать информацию об определенных измерениях окружающей среды или внутренних компонентов. Это важно для роботов для выполнения своих задач и реагирования на любые изменения в окружающей среде для расчета соответствующей реакции. Они используются для различных форм измерений, чтобы предупреждать роботов о безопасности или неисправностях, а также предоставлять информацию в режиме реального времени о выполняемой задаче.

Трогать

Современные роботы и протезы получают гораздо меньше тактильной информации, чем человеческая рука. Недавние исследования позволили разработать матрицу тактильных датчиков, которая имитирует механические свойства и сенсорные рецепторы кончиков пальцев человека. Матрица датчиков сконструирована в виде жесткого сердечника, окруженного проводящей жидкостью, заключенной в эластомерную оболочку. Электроды устанавливаются на поверхности жесткого сердечника и подключаются к устройству измерения импеданса внутри сердечника. Когда искусственная кожа касается объекта, путь жидкости вокруг электродов деформируется, вызывая изменения импеданса, которые отображают силы, воспринимаемые объектом. Исследователи ожидают, что важной функцией таких искусственных кончиков пальцев будет регулировка роботизированного захвата удерживаемых объектов.

Ученые из нескольких европейских стран и Израиля в 2009 году разработали протез руки под названием SmartHand, который функционирует как настоящая рука, позволяя пациентам писать им, печатать на клавиатуре , играть на пианино и выполнять другие тонкие движения. Протез оснащен датчиками, которые позволяют пациенту ощущать настоящие ощущения кончиками пальцев.

Зрение

Компьютерное зрение - это наука и технология машин, которые видят. Как научная дисциплина, компьютерное зрение связано с теорией, лежащей в основе искусственных систем, извлекающих информацию из изображений. Данные изображения могут принимать различные формы, например видеопоследовательности и изображения с камер.

В большинстве практических приложений компьютерного зрения компьютеры предварительно запрограммированы для решения конкретной задачи, но методы, основанные на обучении, в настоящее время становятся все более распространенными.

Системы компьютерного зрения полагаются на датчики изображения, которые обнаруживают электромагнитное излучение, которое обычно имеет форму видимого или инфракрасного света . Датчики разработаны с использованием физики твердого тела . Процесс распространения и отражения света от поверхностей объясняется с помощью оптики . Сложные датчики изображения даже требуют квантовой механики, чтобы обеспечить полное понимание процесса формирования изображения. Роботы также могут быть оснащены несколькими видеодатчиками, чтобы лучше определять глубину окружающей среды. Как и человеческие глаза, «глаза» роботов также должны уметь фокусироваться на определенной интересующей области, а также приспосабливаться к изменениям интенсивности света.

В компьютерном зрении есть подполе, в котором искусственные системы предназначены для имитации обработки и поведения биологических систем на разных уровнях сложности. Кроме того, некоторые из методов, основанных на обучении, разработанных в рамках компьютерного зрения, имеют биологическую основу.

Другой

Другие распространенные формы зондирования в робототехнике используют лидар, радар и сонар. Лидар измеряет расстояние до цели, освещая цель лазерным светом и измеряя отраженный свет с помощью датчика. Радар использует радиоволны для определения дальности, угла или скорости объектов. Сонар использует распространение звука для навигации, связи или обнаружения объектов на поверхности воды или под водой.

Манипуляции

Puma, один из первых промышленных роботов
Baxter, современный и универсальный промышленный робот, разработанный Родни Бруксом.

Мэтт Мэйсон дал определение роботизированной манипуляции следующим образом: «Под манипуляцией понимается контроль агента над окружающей средой посредством избирательного контакта».

Роботам нужно манипулировать объектами; подбирать, изменять, уничтожать или иным образом оказывать влияние. Таким образом, функциональный конец манипулятора робота, предназначенный для создания эффекта (будь то рука или инструмент), часто называют концевыми эффекторами , а «рука» - манипулятором . Большинство манипуляторов роботов имеют сменные рабочие органы, каждый из которых позволяет им выполнять небольшой круг задач. У некоторых есть фиксированный манипулятор, который нельзя заменить, в то время как у некоторых есть один манипулятор очень общего назначения, например, рука гуманоида.

Механические захваты

Одним из наиболее распространенных типов рабочих органов являются «захватные устройства». В простейшем проявлении он состоит всего из двух пальцев, которые могут открываться и закрываться, чтобы подбирать и отпускать ряд мелких предметов. Пальцы можно, например, сделать из цепочки с пропущенной через нее металлической проволокой. Руки, которые больше напоминают человеческую руку, включают Теневую руку и руку Робонавта . Руки среднего уровня сложности включают руку Делфта . Механические захваты бывают разных типов, в том числе фрикционные и охватывающие. Фрикционные губки используют всю силу захвата, чтобы удерживать объект на месте с помощью трения. Охватывающие челюсти удерживают объект на месте, используя меньшее трение.

Всасывающие рабочие органы

Всасывающие рабочие органы, приводимые в действие генераторами вакуума, представляют собой очень простые вяжущие устройства, которые могут выдерживать очень большие нагрузки при условии, что поверхность захвата достаточно гладкая для обеспечения всасывания.

Роботы для захвата и размещения электронных компонентов и крупных объектов, таких как лобовые стекла автомобилей, часто используют очень простые вакуумные рабочие органы.

Всасывание - это широко используемый тип рабочего органа в промышленности, отчасти потому, что естественная податливость мягких рабочих органов всасывания может позволить роботу быть более устойчивым в присутствии несовершенного роботизированного восприятия. В качестве примера: рассмотрим случай, когда система технического зрения робота оценивает положение бутылки с водой, но имеет погрешность в 1 сантиметр. Хотя это может привести к тому, что жесткий механический захват может проткнуть бутылку с водой, мягкий всасывающий концевой эффектор может просто слегка согнуться и принять форму поверхности бутылки с водой.

Эффекторы общего назначения

Некоторые продвинутые роботы начинают использовать полностью гуманоидные руки, такие как Рука Тени, MANUS и рука Шунка . Это очень маневренные манипуляторы с 20 степенями свободы и сотнями тактильных датчиков.

Передвижение

Прокатные роботы

Сегвей в музее роботов в Нагое

Для простоты большинство мобильных роботов имеют четыре колеса или несколько непрерывных гусениц . Некоторые исследователи пытались создать более сложных колесных роботов с одним или двумя колесами. Они могут иметь определенные преимущества, такие как более высокая эффективность и меньшее количество деталей, а также позволяющие роботу перемещаться в ограниченном пространстве, что было бы недоступно для четырехколесного робота.

Двухколесные балансировочные роботы

Балансирующие роботы обычно используют гироскоп, чтобы определить, насколько сильно падает робот, а затем пропорционально вращают колеса в том же направлении, чтобы уравновесить падение сотни раз в секунду, основываясь на динамике перевернутого маятника . Было разработано много разных балансировочных роботов. Хотя Segway обычно не считается роботом, его можно рассматривать как компонент робота, при использовании в качестве такового Segway называет их RMP (Robotic Mobility Platform). Примером такого использования является , как НАСА «s Robonaut , который был установлен на Segway.

Одноколесные балансировочные роботы

Одноколесный балансировочный робот является продолжением двухколесного балансировочного робота, так что он может двигаться в любом двумерном направлении, используя круглый шар в качестве единственного колеса. Несколько один двухколесный балансировочные роботы были разработаны в последнее время , такие как Университет Карнеги - Меллона «s„ шаробот “ , что приблизительная высота и ширина лица, и Тохоку Гакуин » s „BallIP“. Благодаря длинной, тонкой форме и способности маневрировать в ограниченном пространстве они могут работать лучше, чем другие роботы, в среде с людьми.

Сферические шаровые роботы

Было сделано несколько попыток роботов, которые полностью находятся внутри сферического шара, либо путем вращения груза внутри шара, либо путем вращения внешних оболочек сферы. Их также называют ботами- шарами или ботами-шарами.

Шестиколесные роботы

Использование шести колес вместо четырех может улучшить сцепление с дорогой на открытом воздухе, например, на каменистой грязи или траве.

Гусеничные роботы
Военные роботы TALON, используемые армией США

Танковые гусеницы обеспечивают даже большую тягу, чем шестиколесный робот. Гусеничные колеса ведут себя так, как будто они состоят из сотен колес, поэтому они очень распространены для уличных и военных роботов, где робот должен двигаться по очень пересеченной местности. Однако их трудно использовать в помещении, например, на коврах и гладких полах. Примеры включают Городского робота НАСА «Урби».

Ходьба применима к роботам

Ходьба - сложная и динамичная задача. Было создано несколько роботов, которые могут надежно ходить на двух ногах, однако ни один из них еще не был настолько прочен, как человек. Было проведено много исследований, посвященных ходьбе, вдохновленной человеком, например, лаборатория AMBER, созданная в 2008 году факультетом машиностроения Техасского университета A&M. Было построено множество других роботов, которые ходят более чем на двух ногах, так как этих роботов значительно проще построить. Шагающих роботов можно использовать на неровной местности, что обеспечит лучшую мобильность и энергоэффективность, чем другие методы передвижения. Обычно роботы на двух ногах могут хорошо ходить по плоскому полу и иногда подниматься по лестнице . Никто не может ходить по каменистой неровной местности. Вот некоторые из опробованных методов:

Техника ZMP

Нулевой момент точка (ТНМ) является алгоритм , используемый роботов , таких как Honda «ы ASIMO . Бортовой компьютер пытается робот , чтобы сохранить общие силы инерции (сочетание Земля «s силы тяжести и ускорение и замедление при ходьбе), в точности противоположных по полу силе реакции (сила пола отодвигая на ногах робота). Таким образом, две силы уравновешиваются, не оставляя момента (сила, заставляющая робота вращаться и падать). Однако это не совсем то, как человек ходит, и разница очевидна для людей-наблюдателей, некоторые из которых отметили, что ASIMO ходит так, как будто ему нужен туалет . Алгоритм ходьбы ASIMO не является статическим, и используется некоторая динамическая балансировка (см. Ниже). Тем не менее, для ходьбы по-прежнему требуется гладкая поверхность.

Прыжки

Несколько роботов, построенных в 1980-х Марком Райбертом в лаборатории ног Массачусетского технологического института, успешно продемонстрировали очень динамичную ходьбу. Изначально робот с одной ногой и очень маленькой ступней мог оставаться в вертикальном положении, просто подпрыгивая . Движение такое же, как у человека на пого-палке . Когда робот падает в сторону, он слегка подпрыгивает в этом направлении, чтобы поймать себя. Вскоре алгоритм был обобщен на два и четыре этапа. Был продемонстрирован двуногий робот, который бегает и даже выполняет сальто . Было также продемонстрировано четвероногое животное, которое могло двигаться рысью , бегать, шагать и скакать. Полный список этих роботов см. На странице MIT Leg Lab Robots.

Динамическая балансировка (контролируемое падение)

Более продвинутый способ передвижения робота - это использование алгоритма динамической балансировки, который потенциально более надежен, чем метод точки нулевого момента, поскольку он постоянно отслеживает движение робота и размещает ступни для поддержания устойчивости. Эту технику недавно продемонстрировал Dexter Robot от Anybots , который настолько стабилен, что может даже прыгать. Другой пример - TU Delft Flame .

Пассивная динамика

Возможно, наиболее многообещающий подход использует пассивную динамику, в которой импульс качающихся конечностей используется для большей эффективности . Было показано, что полностью лишенные питания гуманоидные механизмы могут спускаться по пологому склону, используя только силу тяжести для движения. Используя эту технику, роботу нужно лишь немного двигать, чтобы идти по плоской поверхности, или немного больше, чтобы подняться на холм . Этот метод обещает сделать шагающих роботов как минимум в десять раз более эффективными, чем ходунки ZMP, такие как ASIMO.

Другие способы передвижения

Летающий

Современный пассажирский авиалайнер - это, по сути, летающий робот, которым управляют два человека. Автопилот может управлять самолетом на каждом этапе пути, включая взлет, полет нормальный, и даже посадки. Другие летающие роботы необитаемы и известны как беспилотные летательные аппараты (БПЛА). Они могут быть меньше и легче без пилота-человека на борту и лететь на опасную территорию для выполнения военных миссий по наблюдению. Некоторые могут даже стрелять по находящимся под командованием целям. Также разрабатываются БПЛА, которые могут стрелять по целям автоматически, без команды человека. Другие летающие роботы включают крылатые ракеты , Entomopter и микровертолетный робот Epson . Такие роботы, как Air Penguin, Air Ray и Air Jelly, имеют тела легче воздуха, двигаются с помощью лопастей и управляются сонаром.

Змея
Две змеи-роботы. Левый имеет 64 мотора (с 2 степенями свободы на сегмент), правый - 10.

Было успешно разработано несколько роботов- змей . Имитируя движение настоящих змей, эти роботы могут перемещаться в очень ограниченном пространстве, а это означает, что однажды их можно будет использовать для поиска людей, оказавшихся в ловушке в разрушенных зданиях. Японский робот-змея ACM-R5 может даже перемещаться как на суше, так и в воде.

Катание на коньках

Было разработано небольшое количество роботов для катания на коньках , один из которых является многорежимным устройством для ходьбы и катания на коньках. У него четыре ножки с колесами без привода, которые могут как шагать, так и катиться. Другой робот, Плен, может использовать миниатюрный скейтборд или роликовые коньки и кататься по рабочему столу.

Капуцин, альпинистский робот
Альпинизм

Для разработки роботов, способных подниматься по вертикальным поверхностям, использовалось несколько различных подходов. Один подход имитирует движения человека- альпиниста по стене с выступами; регулировка центра масс и перемещение каждой конечности по очереди для получения рычага. Примером этого является Capuchin, построенный доктором Ruixiang Zhang в Стэнфордском университете, Калифорния. В другом подходе используются специальные подушечки для пальцев ног гекконов , лазящих по стенам , которые могут бегать по гладким поверхностям, например по вертикальному стеклу. Примеры этого подхода включают Wallbot и Stickybot.

China's Technology Daily сообщила 15 ноября 2008 года, что доктор Ли Хиу Юнг и его исследовательская группа из компании New Concept Aircraft ( Zhuhai ) Co., Ltd. успешно разработали бионического робота-геккона под названием « Speedy Freelander ». По словам доктора Юнга, робот-геккон мог быстро взбираться вверх и вниз по различным стенам зданий, перемещаться через трещины в земле и стенах и ходить вверх ногами по потолку. Он также смог адаптироваться к поверхностям из гладкого стекла, грубых, липких или пыльных стен, а также к различным типам металлических материалов. Он также может автоматически определять и обходить препятствия. Его гибкость и скорость были сопоставимы с естественным гекконом. Третий подход - имитировать движение змеи, взбирающейся на шест.

Плавание (Piscine)

Подсчитано , что , когда плавание некоторых рыб может достигать пропульсивную большую эффективность , чем 90%. Кроме того, они могут ускоряться и маневрировать намного лучше, чем любая искусственная лодка или подводная лодка , и производят меньше шума и помех от воды. Поэтому многие исследователи, изучающие подводных роботов, хотели бы скопировать этот тип передвижения. Яркими примерами являются роботизированная рыба-рыба G9 из Университета Эссекса и робот-тунец, созданный Институтом полевой робототехники для анализа и математического моделирования грозового движения . Aqua Penguin, спроектированный и изготовленный немецкой компанией Festo, копирует обтекаемую форму и движение передних «ласт» пингвинов . Компания Festo также создала модели Aqua Ray и Aqua Jelly, которые имитируют движения ската манты и медузы соответственно.

Роботизированная рыба: iSplash- II

В 2014 году iSplash- II был разработан докторантом Ричардом Джеймсом Клэпхэмом и профессором Хуошенг Ху из Университета Эссекса. Это была первая рыба-робот, способная превзойти настоящую рыбу-панцирь с точки зрения средней максимальной скорости (измеряемой в длинах тела в секунду) и выносливости - продолжительности поддержания максимальной скорости. Эта сборка достигла скорости плавания 11,6BL / s (то есть 3,7 м / с). Первая сборка, iSplash -I (2014), была первой роботизированной платформой, в которой применялось плавательное движение в форме каранги, которое, как было обнаружено, увеличивало скорость плавания на 27% по сравнению с традиционным подходом с задним ограничением формы волны.

Парусный спорт
Автономный парусный робот Vaimos

Роботы-парусники также были разработаны для проведения измерений на поверхности океана. Типичный робот-парусник - это Vaimos, построенный IFREMER и ENSTA-Bretagne. Поскольку для движения парусных роботов используется ветер, энергия батарей используется только для компьютера, для связи и для исполнительных механизмов (для настройки руля и паруса). Если робот оснащен солнечными батареями, робот теоретически может перемещаться вечно. Два основных соревнования парусных роботов - это WRSC , который ежегодно проводится в Европе, и Sailbot .

Взаимодействие с окружающей средой и навигация

Радар, GPS и лидар объединены для обеспечения надлежащей навигации и предотвращения препятствий (автомобиль, разработанный для 2007 DARPA Urban Challenge ).

Хотя значительный процент эксплуатируемых сегодня роботов либо контролируется человеком, либо работает в статической среде, растет интерес к роботам, которые могут работать автономно в динамической среде. Этим роботам требуется определенная комбинация навигационного оборудования и программного обеспечения , чтобы перемещаться по окружающей среде. В частности, непредвиденные события (например, люди и другие препятствия, которые не являются стационарными) могут вызвать проблемы или столкновения. Некоторые высокоразвитые роботы, такие как ASIMO и Meinü robot, имеют особенно хорошее навигационное оборудование и программное обеспечение. Кроме того , саморегулируемые автомобили , Эрнст Дикманнс " неуправляемый автомобиль , и запись в DARPA Grand Challenge , способны зондирования окружающей среды , а затем и принятия решений навигационных на основе этой информации, в том числе роя автономных роботов. Большинство этих роботов используют навигационное устройство GPS с путевыми точками, а также радар , иногда в сочетании с другими сенсорными данными, такими как лидар , видеокамеры и инерционные системы наведения, для лучшей навигации между путевыми точками.

Взаимодействие человека и робота

Кисмет может воспроизводить различные выражения лица.

Если мы хотим, чтобы роботы, работающие в наших домах, не только пылесосили пол, то уровень развития сенсорного интеллекта для роботов должен будет пройти несколько порядков. Если роботы должны эффективно работать в домах и в других непромышленных средах, то, как их инструктируют выполнять свою работу, и особенно то, как им приказывают остановиться, будет иметь решающее значение. Люди, которые с ними взаимодействуют, могут иметь мало или совсем не обучаться робототехнике, поэтому любой интерфейс должен быть чрезвычайно интуитивно понятным. Авторы научной фантастики также обычно предполагают, что роботы в конечном итоге смогут общаться с людьми с помощью речи , жестов и мимики , а не интерфейса командной строки . Хотя речь была бы наиболее естественным способом общения человека, для робота это неестественно. Вероятно, пройдет много времени, прежде чем роботы будут взаимодействовать так же естественно, как вымышленный C-3PO , или данные из Star Trek, Next Generation . Несмотря на то, что нынешнее состояние робототехники не может соответствовать стандартам этих роботов из научной фантастики, роботизированные медиа-персонажи (например, Wall-E, R2-D2) могут вызывать симпатии аудитории, которые повышают готовность людей принимать настоящих роботов в будущем. Принятие социальных роботов также может возрасти, если люди смогут встретить социального робота в соответствующих условиях. Исследования показали, что взаимодействие с роботом путем взгляда, прикосновения или даже воображения взаимодействия с роботом может уменьшить негативные чувства, которые некоторые люди испытывают к роботам до взаимодействия с ними. Однако, если ранее существовавшие негативные настроения особенно сильны, взаимодействие с роботом может усилить эти негативные чувства по отношению к роботам.

Распознавание речи

Интерпретация непрерывного потока звуков, исходящих от человека, в реальном времени - сложная задача для компьютера, в основном из-за большого разнообразия речи . Одно и то же слово, произнесенное одним и тем же человеком, может звучать по-разному в зависимости от местной акустики , громкости , предыдущего слова, простужен ли говорящий и т. Д. Это становится еще труднее, когда у говорящего другой акцент . Тем не менее, в этой области были достигнуты большие успехи с тех пор, как Дэвис, Биддульф и Балашек разработали первую «систему голосового ввода», которая распознавала «десять цифр, произносимых одним пользователем со 100% точностью» в 1952 году. В настоящее время лучшие системы могут распознавать непрерывная, естественная речь, до 160 слов в минуту, с точностью 95%. С помощью искусственного интеллекта машины в наши дни могут использовать голос людей, чтобы определять их эмоции, такие как удовлетворение или гнев.

Голос робота

Существуют и другие препятствия, когда робот может использовать голос для взаимодействия с людьми. По социальным причинам синтетический голос оказывается неоптимальным в качестве средства коммуникации, поэтому необходимо развивать эмоциональную составляющую голоса робота с помощью различных методов. Преимуществом дифонического ветвления является эмоция, которую робот запрограммирован проецировать, может передаваться на голосовой ленте или фонеме, уже предварительно запрограммированной на голосовой носитель. Один из самых ранних примеров - обучающий робот по имени Личим, разработанный в 1974 году Майклом Дж. Фриманом . Личим смог преобразовать цифровую память в элементарную вербальную речь на предварительно записанных компьютерных дисках. Он был запрограммирован для обучения студентов в Бронксе, Нью-Йорк .

Жесты

Можно представить, что в будущем вы будете объяснять роботу-повару, как приготовить выпечку, или спрашивать дорогу у робота-полицейского. В обоих случаях жесты рук помогли бы вербальному описанию. В первом случае робот будет распознавать жесты, сделанные человеком, и, возможно, повторять их для подтверждения. Во втором случае робот-полицейский жестом указывал «по дороге, а затем повернуть направо». Вполне вероятно, что жесты станут частью взаимодействия между людьми и роботами. Было разработано множество систем для распознавания жестов рук человека.

Выражение лица

Выражение лица может обеспечить быструю обратную связь о ходе диалога между двумя людьми, и вскоре может сделать то же самое для людей и роботов. Роботизированные лица были сконструированы Hanson Robotics с использованием эластичного полимера под названием Frubber , обеспечивающего большое количество выражений лица благодаря эластичности резинового лицевого покрытия и встроенных подповерхностных двигателей ( сервоприводов ). Покрытие и сервоприводы построены на металлическом черепе . Робот должен знать, как подойти к человеку, судя по его выражению лица и языку тела . Независимо от того, счастлив ли человек, напуган или выглядит сумасшедшим, зависит тип взаимодействия, ожидаемого от робота. Точно так же роботы, такие как Kismet и более недавнее дополнение, Nexi, могут воспроизводить ряд выражений лица, что позволяет им вести значимый социальный обмен с людьми.

Искусственные эмоции

Также могут возникать искусственные эмоции, состоящие из последовательности мимики или жестов. Как видно из фильма Final Fantasy: The Spirits Within , программирование этих искусственных эмоций сложно и требует большого количества человеческого наблюдения. Чтобы упростить программирование в фильме, предустановки были созданы вместе со специальной программой. Это уменьшило количество времени, необходимого для создания фильма. Эти предустановки могут быть переданы для использования в реальных роботах. Примером робота с искусственными эмоциями является Робин Робот, разработанный армянской ИТ-компанией Expper Technologies, который использует одноранговое взаимодействие на основе ИИ. Его основная задача - достижение эмоционального благополучия, то есть преодоление стресса и беспокойства. Робин был обучен анализировать выражения лица и использовать свое лицо, чтобы отображать свои эмоции с учетом контекста. Робот был протестирован детьми в клиниках США, и наблюдения показывают, что Робин повышал аппетит и бодрость у детей после встречи и разговора.

Личность

Многие из роботов из научной фантастики обладают индивидуальностью , что может быть, а может и не быть желательным для коммерческих роботов будущего. Тем не менее, исследователи пытаются создать роботов, которые кажутся индивидуальными: то есть они используют звуки, выражения лица и язык тела, чтобы попытаться передать внутреннее состояние, которое может быть радостью, грустью или страхом. Одним из коммерческих примеров является Плео , игрушечный робот-динозавр, который может проявлять несколько очевидных эмоций.

Социальный интеллект

Лаборатория социально-интеллектуальных машин Технологического института Джорджии исследует новые концепции управляемого обучения взаимодействию с роботами. Целью проектов является создание социального робота, который изучает задачи и цели на человеческих демонстрациях без предварительного знания высокоуровневых концепций. Эти новые концепции основаны на низкоуровневых непрерывных данных датчиков посредством неконтролируемого обучения , а цели задач впоследствии изучаются с использованием байесовского подхода. Эти концепции можно использовать для передачи знаний для будущих задач, что приведет к более быстрому изучению этих задач. Результаты демонстрирует робот Кури, который может переложить макароны из кастрюли на тарелку и подать сверху соус.

Контроль

Марионетка Магнус , марионетка, управляемая роботом, со сложной системой управления.
RuBot II умеет вручную разрешать кубики Рубика.

Для выполнения задач необходимо контролировать механическую структуру робота. Управление роботом включает три отдельных этапа - восприятие, обработку и действие ( роботизированные парадигмы ). Датчики предоставляют информацию об окружающей среде или самом роботе (например, положение его суставов или его конечного эффектора). Затем эта информация обрабатывается для сохранения или передачи и для вычисления соответствующих сигналов исполнительным механизмам ( двигателям ), которые перемещают механический механизм.

Этап обработки может варьироваться по сложности. На реактивном уровне он может преобразовывать необработанную информацию датчика непосредственно в команды исполнительного механизма. Объединение датчиков может сначала использоваться для оценки представляющих интерес параметров (например, положения захвата робота) на основе зашумленных данных датчика. Непосредственная задача (например, перемещение захвата в определенном направлении) выводится из этих оценок. Методы теории управления преобразуют задачу в команды, управляющие исполнительными механизмами.

В более длительных временных масштабах или при выполнении более сложных задач роботу может потребоваться построить и рассуждать с помощью «когнитивной» модели. Когнитивные модели пытаются представить робота, мир и то, как они взаимодействуют. Распознавание образов и компьютерное зрение можно использовать для отслеживания объектов. Картографические методы можно использовать для построения карт мира. Наконец, для определения того, как действовать, можно использовать планирование движения и другие методы искусственного интеллекта . Например, планировщик может выяснить, как выполнить задачу, не сталкиваясь с препятствиями, не падая и т. Д.

Уровни автономности

TOPIO , робот-гуманоид , играл в пинг-понг на Tokyo IREX 2009.

Системы управления также могут иметь разные уровни автономии.

  1. Прямое взаимодействие используется для тактильных или дистанционно управляемых устройств, и человек почти полностью контролирует движение робота.
  2. В режимах помощи оператору оператор управляет задачами среднего и высокого уровня, а робот автоматически определяет, как их выполнять.
  3. Автономный робот может долгое время обходиться без взаимодействия с человеком. Более высокий уровень автономии не обязательно требует более сложных когнитивных способностей. Например, роботы на сборочных заводах полностью автономны, но работают по фиксированной схеме.

Другая классификация учитывает взаимодействие между человеческим управлением и движениями машины.

  1. Телеоперация . Человек управляет каждым движением, каждое изменение привода машины определяет оператор.
  2. Наблюдательный. Человек определяет общие движения или изменения положения, а машина определяет конкретные движения своих исполнительных механизмов.
  3. Автономность на уровне задач. Оператор указывает только задачу, а робот успевает ее выполнить.
  4. Полная автономия. Машина создаст и выполнит все свои задачи без участия человека.

Исследовать

Два инженера Лаборатории реактивного движения стоят рядом с тремя аппаратами, что позволяет сравнить размеры марсоходов трех поколений. Спереди и в центре - запасной полет для первого марсохода Sojourner , который приземлился на Марс в 1997 году в рамках проекта Mars Pathfinder. Слева - испытательный аппарат Mars Exploration Rover (MER), который является рабочим братом Spirit and Opportunity , который приземлился на Марсе в 2004 году. Справа - испытательный вездеход для Марсианской научной лаборатории, который доставил Curiosity на Марс в 2012 году. .
Соджорнер имеет длину 65 см (2,13 фута). Марсоходы для исследования Марса (MER) имеют длину 1,6 м (5,2 фута). Curiosity справа составляет 3 м (9,8 фута) в длину.

Большая часть исследований в области робототехники сосредоточена не на конкретных промышленных задачах, а на исследованиях новых типов роботов , альтернативных способов мышления или проектирования роботов и новых способов их производства. Другие исследования, такие как проект киберфлоры Массачусетского технологического института , почти полностью академические.

Первым конкретным нововведением в конструкции роботов является открытый поиск роботов-проектов. Для описания уровня развития робота можно использовать термин «поколение роботов». Этот термин придуман профессором Хансом Моравеком , главным научным сотрудником Института робототехники Университета Карнеги-Меллона для описания эволюции робототехники в ближайшем будущем. Роботы первого поколения , как предсказывал Моравек в 1997 году, должны обладать интеллектуальными возможностями, сопоставимыми, возможно, с ящерицей, и должны стать доступными к 2010 году. Однако, поскольку робот первого поколения будет неспособен к обучению , Моравек прогнозирует, что робот второго поколения будет улучшением. по сравнению с первым и станет доступным к 2020 году, а его интеллект может быть сопоставим с интеллектом мыши . Третий поколения робот должен иметь интеллект , сравнимый с из обезьяны . Хотя роботы четвертого поколения , роботы с человеческим интеллектом, по прогнозам профессора Моравека, станут возможными, он не предсказывает, что это произойдет раньше, чем примерно в 2040 или 2050 годах.

Второй - эволюционные роботы . Это методология, которая использует эволюционные вычисления для помощи в проектировании роботов, особенно в отношении формы тела или контроллеров движения и поведения . Подобно естественной эволюции , большой популяции роботов разрешается каким-либо образом соревноваться, или их способность выполнять задачу измеряется с помощью функции приспособленности . Те, кто показал худшие результаты, удаляются из популяции и заменяются новым набором, который имеет новое поведение, основанное на поведении победителей. Со временем популяция улучшается, и в конечном итоге может появиться удовлетворительный робот. Это происходит без какого-либо прямого программирования роботов исследователями. Исследователи используют этот метод как для создания более совершенных роботов, так и для изучения природы эволюции. Поскольку процесс часто требует моделирования многих поколений роботов, этот метод может быть запущен полностью или в основном в моделировании с использованием программного пакета симулятора робота , а затем протестирован на реальных роботах, когда разработанные алгоритмы станут достаточно хорошими. В настоящее время во всем мире трудятся около 10 миллионов промышленных роботов, и Япония является ведущей страной с высокой плотностью использования роботов в своей обрабатывающей промышленности.

Динамика и кинематика

Внешнее видео
значок видео Как работает игрушка сферо BB-8

Исследование движения можно разделить на кинематику и динамику . Прямая кинематика или прямая кинематика относится к вычислению положения, ориентации, скорости и ускорения конечного эффектора, когда известны соответствующие значения суставов. Обратная кинематика относится к противоположному случаю, в котором требуемые значения шарниров рассчитываются для заданных значений концевого зажима, как это делается при планировании траектории. Некоторые особые аспекты кинематики включают обработку избыточности (различные возможности выполнения одного и того же движения), предотвращение столкновений и предотвращение сингулярностей . После того, как все соответствующие положения, скорости и ускорения были рассчитаны с использованием кинематики , методы из области динамики используются для изучения влияния сил на эти движения. Прямая динамика относится к вычислению ускорений в роботе после того, как известны приложенные силы. Прямая динамика используется в компьютерном моделировании робота. Обратной динамикой называется расчет сил привода, необходимых для создания заданного ускорения рабочего органа. Эта информация может быть использована для улучшения алгоритмов управления роботом.

В каждой из упомянутых выше областей исследователи стремятся разрабатывать новые концепции и стратегии, улучшать существующие и улучшать взаимодействие между этими областями. Для этого необходимо разработать и внедрить критерии «оптимальной» производительности и способы оптимизации конструкции, структуры и управления роботами.

Бионика и биомиметика

Бионика и биомиметика применяют физиологию и методы передвижения животных для создания роботов. Например, дизайн BionicKangaroo был основан на том, как кенгуру прыгают.

Квантовые вычисления

Было проведено некоторое исследование того, могут ли алгоритмы робототехники выполняться на квантовых компьютерах быстрее, чем на цифровых компьютерах . Эта область получила название квантовой робототехники.

Образование и обучение

В SCORBOT-ER 4u образовательный робот

Инженеры-робототехники проектируют роботов, обслуживают их, разрабатывают для них новые приложения и проводят исследования, чтобы расширить возможности робототехники. Роботы стали популярным образовательным инструментом в некоторых средних и старших школах, особенно в некоторых частях США , а также в многочисленных летних молодежных лагерях, что повысило интерес учащихся к программированию, искусственному интеллекту и робототехнике.

Карьерное обучение

Такие университеты, как Вустерский политехнический институт (WPI), предлагают степени бакалавра , магистра и доктора в области робототехники. Профессиональные школы предлагают обучение робототехнике, нацеленное на карьеру в робототехнике.

Сертификация

Robotics Сертификация Стандарты Alliance (RCSA) является международным органом по сертификации робототехники, предусматривающим различные промышленность- и образовательные , связанные с робототехникой сертификации.

Летний лагерь робототехники

Некоторые программы национальных летних лагерей включают робототехнику в свой основной учебный план. Кроме того, прославленные музеи и учреждения часто предлагают молодежные летние программы робототехники.

Соревнования по робототехнике

По всему миру проводится множество соревнований. SeaPerch учебная программа направлена , как студенты всех возрастов. Это краткий список примеров соревнований; для более полного списка см. Соревнования роботов .

Соревнования для детей младшего возраста

Организация FIRST предлагает соревнования FIRST Lego League Jr. для детей младшего возраста. Цель этого конкурса - дать детям младшего возраста возможность начать изучать науку и технологии. Дети, участвующие в этом конкурсе, собирают модели Lego и могут использовать комплект робототехники Lego WeDo.

Соревнования для детей 9-14 лет

Одно из важнейших соревнований - FLL или FIRST Lego League . Идея этого конкретного конкурса заключается в том, что дети с девяти лет начинают развивать знания и заниматься робототехникой, играя с Lego . Этот конкурс связан с National Instruments . Дети используют Lego Mindstorms для решения задач автономной робототехники в этом соревновании.

Соревнования для подростков

FIRST Tech Challenge предназначен для студентов среднего уровня , как переход от FIRST Lego Лиги к робототехнике конкуренции ПЕРВЫЙ .

Конкурс FIRST Robotics Competition больше фокусируется на механическом дизайне, и каждый год проводится определенная игра. Роботы созданы специально для игры того года. В матчевой игре робот перемещается автономно в течение первых 15 секунд игры (хотя в определенные годы, такие как Deep Space 2019 года, меняют это правило), а до конца матча он управляется вручную.

Соревнования для старшеклассников

В различных соревнованиях RoboCup участвуют команды подростков и студентов. Эти соревнования посвящены футбольным соревнованиям с различными типами роботов, танцевальным соревнованиям и городским соревнованиям по поиску и спасанию. Все роботы в этих соревнованиях должны быть автономными. Некоторые из этих соревнований сосредоточены на симуляторах роботов.

AUVSI проводит соревнования для летающих роботов , лодок-роботов и подводных роботов .

Соревнование Student AUV Competition Europe (SAUC-E) в основном привлекает команды студентов и аспирантов. Как и в соревнованиях AUVSI, роботы должны быть полностью автономными, пока они участвуют в соревнованиях.

Microtransat Challenge - это соревнование по пересечению лодки через Атлантический океан.

Соревнования открыты для всех

RoboGames открыта для всех желающих принять участие в соревнованиях роботов более чем в 50 категориях.

Федерация Международной ассоциации роботов-футбола проводит соревнования Кубка мира FIRA. Есть соревнования по летающим роботам, соревнования по футболу роботов и другие соревнования, в том числе штанги для тяжелой атлетики, сделанные из дюбелей и компакт-дисков.

Послешкольные программы по робототехнике

Многие школы по всей стране начинают добавлять программы по робототехнике в свои внеклассные программы. Некоторые основные программы по робототехнике после школы включают FIRST Robotics Competition , Botball и BEST Robotics. Соревнования по робототехнике часто включают аспекты бизнеса и маркетинга, а также инженерии и дизайна.

Компания Lego начала программу для детей, чтобы они узнали и увлеклись робототехникой в ​​раннем возрасте.

Деколониальная образовательная робототехника

Деколониальная образовательная робототехника - это ветвь деколониальных технологий и деколониального искусственного интеллекта, которые практикуются в разных местах по всему миру. Эта методология обобщена в педагогических теориях и практиках, таких как « Педагогика угнетенных» и методы Монтессори . И он направлен на обучение робототехнике с учетом местной культуры, чтобы объединить и смешать технологические знания.

Трудоустройство

Робототехник создает небольших роботов-вездеходов. (Предоставлено: MobileRobots, Inc.)

Робототехника является важным компонентом многих современных производственных сред. По мере того, как фабрики все чаще используют роботов, количество рабочих мест, связанных с робототехникой, растет и, по наблюдениям, неуклонно растет. Использование роботов в промышленности привело к увеличению производительности и экономии средств и обычно рассматривается благотворителями как долгосрочное вложение. В статье Майкла Осборна и  Карла Бенедикта Фрея было  обнаружено, что 47% рабочих мест в США подвержены риску автоматизации «в течение некоторого неопределенного количества лет». Эти утверждения подверглись критике на том основании, что социальная политика, а не ИИ, вызывает безработицу. В статье 2016 года в The Guardian Стивен Хокинг заявил: «Автоматизация заводов уже привела к сокращению рабочих мест в традиционном производстве, и развитие искусственного интеллекта, вероятно, распространит это сокращение рабочих мест на средний класс, и только самые заботливые, творческие или оставшиеся контролирующие роли ".

Согласно отчету GlobalData за сентябрь 2021 года, индустрия робототехники в 2020 году стоила 45 миллиардов долларов, а к 2030 году она будет расти со среднегодовыми темпами роста (CAGR) на 29% до 568 миллиардов долларов, что приведет к созданию рабочих мест в робототехнике и смежных отраслях.

Последствия для безопасности и гигиены труда

В документе для обсуждения, подготовленном EU-OSHA, подчеркивается, как распространение робототехники представляет как возможности, так и проблемы для безопасности и гигиены труда (БГТ).

Наибольшие преимущества по охране труда, вытекающие из более широкого использования робототехники, должны заключаться в замене людей, работающих в нездоровой или опасной среде. В космосе, обороне, безопасности или ядерной промышленности, а также в логистике, техническом обслуживании и инспекции автономные роботы особенно полезны для замены людей, выполняющих грязные, унылые или небезопасные задачи, что позволяет избежать воздействия на рабочих опасных агентов и условий и снижение физических, эргономических и психосоциальных рисков. Например, роботы уже используются для выполнения повторяющихся и монотонных задач, для работы с радиоактивными материалами или для работы во взрывоопасных средах. В будущем многие другие повторяющиеся, рискованные или неприятные задачи будут выполняться роботами в различных секторах, таких как сельское хозяйство, строительство, транспорт, здравоохранение, пожаротушение или услуги по уборке.

Несмотря на эти достижения, есть определенные навыки, для которых люди будут лучше подходить, чем машины, в ближайшее время, и вопрос заключается в том, как достичь наилучшего сочетания навыков человека и робота. Преимущества робототехники включают выполнение тяжелых работ с точностью и повторяемостью, в то время как преимущества человека включают творческий подход, способность принимать решения, гибкость и адаптируемость. Эта необходимость сочетать оптимальные навыки привела к тому, что совместные роботы и люди более тесно совместно используют общее рабочее пространство, и привела к разработке новых подходов и стандартов, гарантирующих безопасность «слияния человека и робота». Некоторые европейские страны включают робототехнику в свои национальные программы и пытаются способствовать безопасному и гибкому сотрудничеству между роботами и операторами для повышения производительности. Например, Немецкий федеральный институт безопасности и гигиены труда ( BAuA ) ежегодно организует семинары на тему «Сотрудничество человека и робота».

В будущем сотрудничество между роботами и людьми будет диверсифицировано: роботы увеличат свою автономию, а сотрудничество между человеком и роботом достигнет совершенно новых форм. Текущие подходы и технические стандарты, направленные на защиту сотрудников от риска работы с совместными роботами, должны быть пересмотрены.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Р. Эндрю Рассел (1990). Тактильное зондирование робота . Нью-Йорк: Прентис-Холл. ISBN 978-0-13-781592-0.
  • Э. МакГоги, «Будут ли роботы автоматизировать вашу работу?» Полная занятость, базовый доход и экономическая демократия '(2018) SSRN, часть 2 (3)
  • Автор DH, «Почему еще так много рабочих мест? История и будущее автоматизации рабочих мест '(2015) 29 (3) Journal of Economic Perspectives 3
  • Туз, Адам , "Демократия и ее недовольство", Нью-Йоркское обозрение книг , том. LXVI, нет. 10 (6 июня 2019 г.), стр. 52–53, 56–57. «У демократии нет четкого ответа на бездумное действие бюрократической и технологической власти . Мы действительно можем быть свидетелями ее распространения в форме искусственного интеллекта и робототехники. Точно так же после десятилетий ужасных предупреждений экологическая проблема остается в основном нерешенной ... Бюрократический размах и экологическая катастрофа - это как раз те медленные экзистенциальные вызовы, с которыми демократия очень плохо справляется ... Наконец, существует современная угроза: корпорации и продвигаемые ими технологии ». (стр. 56–57.)

внешние ссылки